JP2019083152A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接に要するエネルギーを増大させることなく、電極組立体への熱影響を抑制できる蓄電装置を提供する。【解決手段】二次電池は、複数の正極電極及び複数の負極電極を互いに絶縁した状態で積層した電極組立体１２と、電極組立体１２と電気を授受する負極端子と、電極組立体１２と負極端子とを電気的に接続する負極導電部材１９と、を備える。負極電極は、銅箔と、銅箔の両面に存在する負極活物質層と、負極活物質層が存在しない負極タブ２８とを有する。二次電池は、複数の負極タブ２８と負極導電部材１９とをレーザ溶接した第２溶接部４２を備える。負極タブ２８は、銅箔の両面に銅より熱伝導率の低い材料からなる網目状部材３３がクラッドされたクラッド部３２を有する。第２溶接部４２は、クラッド部３２に存在する。【選択図】図５

Description

本発明は、複数の未塗工部同士、又は複数の未塗工部と負極導電部材とを、レーザ溶接した溶接部を備える蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池は、シート状の正極電極及び負極電極が互いに絶縁され、かつ層状構造を有する電極組立体を備える。正極電極及び負極電極は、金属箔と、金属箔の片面又は両面に存在する活物質層と、活物質層が存在せず金属箔が露出した未塗工部とを備える。未塗工部は、金属箔の一辺から突出したタブを含む。そして、二次電池からの電力の取り出しは、電極組立体の正極電極及び負極電極のタブに導電部材を介して接続された電極端子を通して行われている。

例えば、特許文献１の二次電池において、電極組立体は、複数の正極電極と複数の負極電極との間にセパレータを介在させた状態で積層した積層型の電極組立体である。二次電池は、正極電極及び負極電極の積層方向の一端側に寄せ集められた状態の複数のタブと導電部材とを、レーザ溶接によって接合した溶接部を備える。溶接部によって、各極性のタブの一枚一枚は、導電部材と電気的に接続されている。

また、他の二次電池において、電極組立体は、複数のタブを積層方向の一端側に寄せ集めたタブ群を備える。タブ同士は、レーザ溶接によって接合され、電気的に接続されている。また、二次電池は、タブ群と導電部材とをレーザ溶接によって接合した溶接部を備える。溶接部によって、タブ群は導電部材と電気的に接続されている。

ところで、溶接部の形成時の熱がタブを介して電極組立体まで伝わり、電極組立体が劣化することがある。特に、負極電極のタブには、熱伝導率の高い銅が用いられることが多く、タブを介した電極組立体への熱影響は大きくなりやすい。

特許文献２の二次電池では、タブは、厚さ方向の一端面に、タブの材料よりも熱伝導率の低い板状部材がクラッドされたクラッド部を備える。これにより、タブの厚さ方向の一端面は、他端面よりも熱伝導率が低くなる。このようなタブの構成を採用すれば、溶接部の形成時の熱が電極組立体まで伝わり難くなり、電極組立体への熱影響を抑制できる。

特開２０１５−０７６２８２号公報 特開２００２−２６０６７０号公報

しかしながら、特許文献２のタブの構成を採用した場合、溶接部を形成する際にクラッド部の存在によってタブの厚さ方向での溶融が妨げられ、レーザ溶接に要するエネルギーが大きくなってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、溶接に要するエネルギーを増大させることなく、電極組立体への熱影響を抑制できる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、シート状の正極電極及び負極電極が互いに絶縁され、かつ層状構造を有する電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、を備え、前記負極電極は、銅箔と、前記銅箔の片面又は両面に存在する負極活物質層と、前記負極活物質層が存在しない未塗工部とを有し、複数の前記未塗工部同士、又は複数の前記未塗工部と負極の前記導電部材とを、レーザ溶接した溶接部を備える蓄電装置であって、前記未塗工部は、前記銅箔の少なくとも片面に銅より熱伝導率の低い材料からなる網目状部材がクラッドされたクラッド部を有し、前記溶接部は、前記クラッド部に存在することを要旨とする。

これによれば、溶接部を形成する際の未塗工部の面方向への熱伝導は、銅よりも熱伝導率の低い材料からなる網目状部材の存在により抑制される。よって、未塗工部を介した電極組立体への熱影響を抑制できる。一方、網目状部材の網目により、複数の未塗工部の銅箔同士が積層される部分が存在するため、未塗工部の厚さ方向における銅箔の溶融は妨げられない。よって、溶接に要するエネルギーを増大させることなく、溶接部を形成できる。

また、上記蓄電装置について、前記網目状部材は、不変鋼であるのが好ましい。
不変鋼は超低膨張材料であるため、溶接部が形成直後の高温状態から冷却されるまでの網目状部材の収縮量は小さい。よって、網目状部材が収縮することによる溶接部の剥離の発生を抑制できる。

また、上記蓄電装置について、前記未塗工部は、前記銅箔の一辺から突出する負極タブを備え、前記網目状部材は、網状部、及び前記網状部によって形成される開口部を有し、前記開口部は、平行四辺形であり、前記開口部の２つの対角線のうち、短い方の対角線は、前記銅箔の一辺からの前記負極タブの突出方向に沿う方向に延びるのが好ましい。

これによれば、網目状部材の網目となる開口部において、開口部の長い方の対角線が負極タブの突出方向に沿う方向に延びる場合と比較して、網目状部材において開口部を形成する網状部の間隔が近くなるため、負極タブの突出方向に沿う方向において溶接部から負極タブの基端側への熱伝導がより抑制される。よって、電極組立体への熱影響をより抑制できる。

本発明によれば、溶接に要するエネルギーを増大させることなく、電極組立体への熱影響を抑制できる。

実施形態の二次電池の分解斜視図。 電極組立体の分解斜視図。 負極タブの分解斜視図。 負極タブの製造方法を示す断面図。 （ａ）は溶接部の断面図、（ｂ）は溶接部の平面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、二次電池１０は、ケース１１を備える。二次電池１０は、ケース１１に収容された電極組立体１２及び電解液を備える。ケース１１は、直方体状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部１３ａを閉塞する矩形平板状の蓋１４とを有する。ケース１１を構成するケース本体１３と蓋１４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池である。また、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

図２に示すように、電極組立体１２は、シート状の複数の正極電極２０と負極電極２１とセパレータ２２とを備える。電極組立体１２は、正極電極２０と負極電極２１との間にセパレータ２２を介在させ、かつ相互に絶縁させた状態で積層した層状構造を備える。

正極電極２０は、矩形シート状のアルミニウム箔２３と、アルミニウム箔２３の両面に存在する正極活物質層２４とを有する。正極電極２０は、アルミニウム箔２３の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部に一辺としてのタブ側縁部２０ａを備える。正極電極２０は、タブ側縁部２０ａの一部から突出した形状の正極タブ２５を有する。正極タブ２５は、正極活物質層２４が存在せず、アルミニウム箔２３そのもので構成されている。

負極電極２１は、矩形シート状の銅箔２６と、銅箔２６の両面に存在する負極活物質層２７とを有する。負極電極２１は、銅箔２６の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部にタブ側縁部２１ａを備える。負極電極２１は、タブ側縁部２１ａの一部から突出した形状の負極タブ２８を有する。負極タブ２８は、銅箔２６の両面に負極活物質層２７が存在しない未塗工部である。銅箔２６において、負極タブ２８を形成する部分は、負極活物質層２７によって覆われた部分と連続している。負極タブ２８の主面に沿う方向を面方向とし、面方向と直交する方向を厚さ方向とする。また、負極タブ２８は、矩形状である。負極タブ２８の短手方向は、負極電極２１のタブ側縁部２１ａに沿う方向に延び、負極タブ２８の長手方向は、負極電極２１のタブ側縁部２１ａからの負極タブ２８の突出方向に沿う方向に延びる。負極タブ２８の長手方向及び短手方向は、面方向に含まれる。

図１に示すように、電極組立体１２は、各正極電極２０の正極タブ２５が、正極電極２０、負極電極２１、及びセパレータ２２が積層される方向の一端に集箔されて積層された正極タブ群２５ａを備える。同様に、電極組立体１２は、各負極電極２１の負極タブ２８が、正極電極２０、負極電極２１、及びセパレータ２２が積層される方向の一端に集箔されて積層された負極タブ群２８ａを備える。負極タブ群２８ａは、正極タブ群２５ａと重ならない位置に存在する。電極組立体１２は、正極タブ群２５ａ及び負極タブ群２８ａの基端部が折り曲げられた状態でケース１１に収容される。なお、図５（ｂ）では、説明の便宜上、負極タブ群２８ａを折り曲げずに延ばした状態で図示している。

図２又は図３に示すように、負極タブ２８は、銅箔２６の厚さ方向の両面に、銅より熱伝導率の低い材料からなる網目状部材３３がクラッドされたクラッド部３２を備える。本実施形態では、クラッド部３２は、負極タブ２８の両面全体に存在する。

図３に示すように、網目状部材３３は、網状部３３ａと、網状部３３ａによって囲まれることで形成された複数の開口部３３ｂを有する。開口部３３ｂは、網目状部材３３の網目である。本実施形態の網状部３３ａは、不変鋼である。不変鋼は、主成分として鉄を含み、さらにニッケルを含む合金である。不変鋼は、さらにマンガン、炭素、クロム、シリコン、モリブデン、タンタル、タングステン、ニオブ及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでもよい。不変鋼におけるニッケルの含有率は、例えば３２〜４３質量％でよく、３６質量％程度であるのが好ましい。不変鋼におけるマンガンの含有率は、例えば０．７質量％程度でよい。不変鋼における炭素の含有率は、例えば０．０５質量％以上１．０質量％以下でよい。不変鋼は、ステンレス鋼（ニッケル鋼）の一種であり、インバー合金とも呼ばれる。本実施形態では、不変鋼の熱伝導率は、約１３［Ｗ／ｍ・Ｋ］であり、銅の熱伝導率は、約４０１［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。よって、網状部３３ａの熱伝導率は、銅箔２６の熱伝導率よりも低い。また、本実施形態では、不変鋼の融点は、約１４２６［Ｋ］であり、銅の融点は、約１０８５［℃］である。よって、網状部３３ａの融点は、銅箔２６の融点よりも高い。また、不変鋼は、線膨張率が例えば１．２×１０^−６の超低膨張材料である。

本実施形態の開口部３３ｂは、平行四辺形（菱形）である。開口部３３ｂは、例えば、板状の不変鋼をエキスパンド加工することによって形成される。エキスパンド加工とは、板状の材料に複数の切れ目を千鳥状に形成するとともに、切れ目を形成した材料を押し延ばす加工である。エキスパンド加工により、不変鋼の歩留まりが低下することを抑制できる。開口部３３ｂにおける対角線Ｌ１，Ｌ２のうち、長い方の対角線Ｌ１は、負極電極２１のタブ側縁部２１ａに沿う方向に延び、短い方の対角線Ｌ２は、タブ側縁部２１ａからの負極タブ２８の突出方向に沿う方向に延びる。本実施形態では、網目状部材３３における開口部３３ｂの開口率は、約９７％である。

図５（ｂ）に示すように、クラッド部３２は、網目状部材３３の網状部３３ａが存在する第１部位３２ａと、網状部３３ａが存在しない第２部位３２ｂとを有する。クラッド部３２を負極タブ２８の厚さ方向から見たとき、第１部位３２ａでは、網目状部材３３の網状部３３ａが存在し、第２部位３２ｂでは、網目状部材３３の開口部３３ｂに銅箔２６が充填されている。第２部位３２ｂは、第１部位３２ａによって囲まれている。図５（ａ）に示すように、クラッド部３２を負極タブ２８の面方向から見たとき、第１部位３２ａでは、銅箔２６の両面に網状部３３ａが存在し、第２部位３２ｂでは、網状部３３ａが存在せず、銅箔２６のみが存在している。

ここで、クラッド部３２の形成方法について説明する。
図４に示すように、負極タブ２８を形成する銅箔２６の厚さ方向の両側に網目状部材３３を配置し、銅箔２６及び網目状部材３３を一対のローラ５０間を通過させることで圧延する。すると、網目状部材３３の開口部３３ｂに銅箔２６が充填された状態となる。その後、熱処理を施すことで、銅箔２６と網目状部材３３との接合強度が高まる。これにより、クラッド部３２が完成する。

図１に示すように、二次電池１０は、電極組立体１２から電気を取り出すための電極端子としての正極端子１５と負極端子１６を備える。正極端子１５と負極端子１６は、蓋１４に所定の間隔をあけて並設された一対の孔１４ａからケース１１の外部に露出される。また、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７がそれぞれ取り付けられている。正極端子１５は、ケース１１内に矩形板状の導電部材としての正極導電部材１８を有する。正極端子１５は、正極導電部材１８と電気的に接続されている。負極端子１６は、ケース１１内に矩形板状の導電部材としての負極導電部材１９を有する。負極端子１６は、負極導電部材１９と電気的に接続されている。

二次電池１０は、全ての正極タブ２５と正極導電部材１８とをレーザ溶接により接合した第１溶接部４１を備える。第１溶接部４１によって、正極タブ２５の１枚１枚は、正極導電部材１８と電気的に接続されている。つまり、電極組立体１２は、正極タブ２５、第１溶接部４１、及び正極導電部材１８を介して正極端子１５と電気的に接続されている。同様に、二次電池１０は、全ての負極タブ２８と負極導電部材１９とをレーザ溶接により接合した溶接部としての第２溶接部４２を備える。第２溶接部４２は、負極タブ２８におけるクラッド部３２に存在する。第２溶接部４２によって、負極タブ２８の１枚１枚は、負極導電部材１９と電気的に接続されている。つまり、電極組立体１２は、負極タブ２８、第２溶接部４２、及び負極導電部材１９を介して負極端子１６と電気的に接続されている。

以下、第２溶接部４２を形成する溶接工程について作用とともに説明する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、負極タブ群２８ａと負極導電部材１９とが重ねられた状態で、図示しないレーザ照射装置により、負極タブ群２８ａ側からレーザを照射することで、第２溶接部４２を形成する。

このとき、図５（ｂ）に示すように、負極タブ２８を厚さ方向から見たとき、クラッド部３２の第２部位３２ｂには銅箔２６が存在し、第１部位３２ａには銅箔２６よりも熱伝導率の低い網状部３３ａが存在する。このため、銅箔２６において網状部３３ａを介して面方向に隣り合う部分同士では、網状部３３ａによって熱伝導が抑制される。すなわち、負極タブ２８の面方向（長手方向や短手方向）への熱伝導が抑制される。

一方、図５（ａ）に示すように、負極タブ２８を面方向から見たとき、クラッド部３２の第２部位３２ｂには銅箔２６のみが存在する。このため、負極タブ群２８ａにおいて、各負極タブ２８の銅箔２６のみが積層された部分が存在するため、網目状部材３３の網状部３３ａによって、負極タブ２８の厚さ方向への溶融が妨げられることはない。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）第２溶接部４２を形成する際の負極タブ２８の面方向への熱伝導は、銅よりも熱伝導率の低い材料からなる網状部３３ａの存在により抑制される。よって、電極組立体１２への熱影響を抑制できる。一方、網目状部材３３の開口部３３ｂにより、複数の負極タブ２８の銅箔２６同士が積層される部分が存在するため、負極タブ２８の厚さ方向における銅箔２６の溶融は妨げられない。よって、溶接に要するエネルギーを増大させることなく、第２溶接部４２を形成できる。

（２）網目状部材３３の網状部３３ａの材料は、超低膨張材料である不変鋼であるため、第２溶接部４２が形成直後の高温状態から冷却されるまでの網目状部材３３の収縮量は小さい。よって、網目状部材３３が収縮することによる第２溶接部４２の剥離の発生を抑制できる。

（３）網目状部材３３の開口部３３ｂは平行四辺形であり、開口部３３ｂの２つの対角線Ｌ１，Ｌ２のうち、短い方の対角線Ｌ２は、タブ側縁部２１ａからの負極タブ２８の突出方向に沿う方向に延びる。この場合、開口部３３ｂの長い方の対角線Ｌ１が負極タブ２８の突出方向に沿う方向に延びる場合と比較して、網目状部材３３において開口部３３ｂを形成する網状部３３ａの間隔が近くなるため、負極タブ２８の突出方向に沿う方向において第２溶接部４２から負極タブ２８の基端側への熱伝導がより抑制される。よって、電極組立体１２への熱影響をより抑制できる。

（４）銅箔２６の両面に網目状部材３３がクラッドされていることで、負極電極２１における電気伝導を妨げることなく、負極電極２１の強度を向上できる。よって、負極電極２１の破れや亀裂といった銅箔２６の損傷を抑制できる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ ケース１１の形状は直方体状に限定されず、例えば円柱状でもよい。この場合、ケース本体１３は有底円筒状であり、蓋１４は円板状である。

○ 電極組立体１２は、長尺帯状の正極電極２０と長尺帯状の負極電極２１とが互いに絶縁された状態で巻回された巻回型の電極組立体でもよい。正極電極２０は、正極タブ２５を複数備え、負極電極２１は、負極タブ２８を複数備える。巻回型の電極組立体１２は、複数の正極タブ２５が巻回軸線の一端で積層された正極タブ群２５ａと、複数の負極タブ２８が巻回軸線の他端で積層された負極タブ群２８ａとを備える。

○ 正極電極２０において、正極活物質層２４はアルミニウム箔２３の片面に存在してもよい。同様に、負極電極２１において、負極活物質層２７は銅箔２６の片面に存在してもよい。

○ 負極電極２１の未塗工部は、負極タブ２８に限定されない。例えば、未塗工部は、負極タブ２８に加えてタブ側縁部２１ａに沿って存在する帯状未塗工部を含んでもよく、帯状未塗工部のみであってもよい。

○ 網目状部材３３の網状部３３ａの材料は、不変鋼に限定されない。網状部３３ａの材料は、熱伝導率が銅より低く、かつ融点が銅より高い材料であればよく、例えば、純鉄（熱伝導率：８０．４［Ｗ／ｍ・Ｋ］、融点：１５３８［Ｋ］）やニッケル（熱伝導率：９０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、融点：１４５５［Ｋ］）でもよい。

○ クラッド部３２は、負極タブ２８の片面のみに存在してもよい。ただし、負極タブ２８の反りを抑制する観点から、クラッド部３２は負極タブ２８の両面に存在するのが好ましい。

○ 第２溶接部４２がクラッド部３２に存在するのであれば、クラッド部３２は、負極タブ２８の主面の一部に存在してもよい。
○ 上記実施形態では、負極タブ２８は、銅箔２６と、銅箔２６の両面に存在する網目状部材３３の３層構造であったが、負極タブ２８の構成はこれに限定されない。例えば、負極タブ２８は、銅箔２６の両面に存在する第１網目状部材と、各第１網目状部材の表面に存在する第２網目状部材の５層構造でもよい。なお、第１網目状部材の材料と第２網目状部材の材料は同じでもよいし、異なっていてもよい。

○ 網目状部材３３の開口部３３ｂは、平行四辺形でなくてもよい。開口部３３ｂは、例えば、六角形など線対称な形状であればよい。
○ 網目状部材３３の開口部３３ｂの対角線Ｌ１，Ｌ２の向きは適宜変更してよい。例えば、網目状部材３３の開口部３３ｂにおける長い方の対角線Ｌ１は、銅箔２６のタブ側縁部２１ａからの負極タブ２８の突出方向に沿う方向に延びていてもよい。

○ 上記実施形態では、全ての負極タブ２８と負極導電部材１９とを同時に溶接していたが、先に負極タブ２８同士をレーザ溶接することで負極タブ２８ａ群を形成し、その後で負極タブ２８ａ群と負極導電部材１９とをレーザ溶接してもよい。この場合、負極タブ２８同士の溶接部及び負極タブ２８ａ群と負極導電部材１９との溶接部の両方がクラッド部３２に存在しているのが好ましい。

○ 蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。
○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池以外の他の二次電池、特にニッケル水素化物電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の教授を行うものであればよい。

１０…蓄電装置としての二次電池、１２…電極組立体、１５…端子としての正極端子、１６…端子としての負極端子、１８…導電部材としての正極導電部材、１９…導電部材としての負極導電部材、２０…正極電極、２１…負極電極、２１ａ…一辺としてのタブ側縁部、２６…銅箔、２７…負極活物質層、２８…負極タブ、３２…クラッド部、３３…網目状部材、３３ａ…網状部、３３ｂ…開口部、４２…溶接部としての第２溶接部、Ｌ１，Ｌ２…対角線。

Claims (3)

1. シート状の正極電極及び負極電極が互いに絶縁され、かつ層状構造を有する電極組立体と、
   前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、
   前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、
   を備え、
   前記負極電極は、銅箔と、前記銅箔の片面又は両面に存在する負極活物質層と、前記負極活物質層が存在しない未塗工部とを有し、
   複数の前記未塗工部同士、又は複数の前記未塗工部と負極の前記導電部材とを、レーザ溶接した溶接部を備える蓄電装置であって、
   前記未塗工部は、前記銅箔の少なくとも片面に銅より熱伝導率の低い材料からなる網目状部材がクラッドされたクラッド部を有し、
   前記溶接部は、前記クラッド部に存在することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記網目状部材は、不変鋼である請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記未塗工部は、前記銅箔の一辺から突出する負極タブを備え、
   前記網目状部材は、網状部、及び前記網状部によって形成される開口部を有し、
   前記開口部は、平行四辺形であり、
   前記開口部の２つの対角線のうち、短い方の対角線は、前記銅箔の一辺からの前記負極タブの突出方向に沿う方向に延びる請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。